詳解多點電容觸摸屏的設計挑戰(zhàn)

多觸點電容觸摸屏已經(jīng)并且正在繼續(xù)改變人們與手持設備之間的人機交互方式并給人們帶來許多新的操作體驗。從手機到電子書、電子寫字板、導航儀、電子游戲機和筆記本電腦等等無不紛紛拋棄原來的輕觸按鍵，競向選擇多點電容觸摸屏來進行人機交互。尤其是I-Phone和I-Pad的橫空出世，使多點電容觸摸屏深入人心。然而，多點電容觸摸屏的設計并非輕而易舉、唾手可得。嚴格地講，多點電容觸摸屏技術還并不是一個完全成熟的技術，它還是一個處于發(fā)展階段并且不斷發(fā)展不斷完善的技術。對于一個多點電容觸摸屏的設計者而言，在它面前仍然面臨著諸多的設計挑戰(zhàn)。本文介紹多點電容觸摸屏設計有哪些設計挑戰(zhàn)和如何使用TTSP方案來幫助設計者面對這些挑戰(zhàn)，使多點電容觸摸屏設計比以往更容易。

　　設計挑戰(zhàn)

　　設計挑戰(zhàn)一

　　來自多點電容觸摸屏設計的第一個挑戰(zhàn)是如何將由于手指觸摸而產(chǎn)生的微小的互電容變化轉化成數(shù)字信號并具有足夠的分辨率。我們知道，一般地講，多點觸摸是基于互電容感應原理，而互電容是發(fā)射感應條與接受感應條在交叉點處的寄生電容，這個電容是非常的小，通常在0.2~4pF, 而手指觸摸而產(chǎn)生的互電容的變化就更小了。對這種微小的互電容變化的檢測，不僅需要有對電容變化高度靈敏的硬件檢測電路以實現(xiàn)微弱模擬電量到數(shù)字信號的轉換，同時也需要相應的軟件來進行控制協(xié)調以保證在整個觸摸屏上的每一點對手指觸摸信號有足夠高的靈敏度。

　　設計挑戰(zhàn)二

　　如何獲得足夠快的掃描時間是多點電容觸摸屏設計的第二個挑戰(zhàn)。對于一個M行和N列感應條的單點觸摸屏，使用自電容掃描，它僅需要分別掃描M行和N列后就可以根據(jù)每一行和每一列信號來進行計算，定位手指在觸摸屏上的坐標。它掃描感應條的次數(shù)是M+N次。當你使用多觸點互電容掃描時，由于必須是行和列的交叉點掃描，所以它的掃描次數(shù)是MXN次掃描交叉點的次數(shù)。 對于一個10行20列的3.2寸屏，自電容掃描只需要10+20=30次，而互電容掃描卻要10X20=200次。當觸摸屏的尺寸越來越大時，掃描次數(shù)的增加越來越快。為了使用戶有比較好的觸摸體驗，它需要每秒至少掃屏50次。 這就意味著每一個點的掃描加數(shù)據(jù)處理的時間必須少于100us, 這樣才能保證有足夠快的響應時間。而觸摸屏的尺寸越大時，行和列數(shù)目就會越多，這個時間就更短。

　　設計挑戰(zhàn)三

　　觸摸按鍵、觸摸滑條和觸摸板都使用銅箔作為觸摸感應器，但觸摸屏基本上都使用ITO(Indium Tin Oxides)材料作為觸摸感應層。銅箔的電阻率極小，因而它的電阻幾乎可以忽略不計。ITO透明而導電，但ITO卻有比較高的電阻率。 通常在觸摸屏上ITO的電阻率用方阻來表示，即一個單位方塊的電阻是多少。 一般地，ITO的方塊電阻從45~350歐姆不等，取決于觸摸屏生產(chǎn)廠家的涂層工藝。由于ITO電阻的存在，使得在觸摸屏上的每一個感應條的近端和遠端會有3K~30K歐姆的電阻，這個電阻結合每一個感應條上的自電容所產(chǎn)生的RC延遲，就使感應條的近端和遠端會對發(fā)射的信號有不同的響應時間或者充放電時間，進而導致在近端和遠端的手指觸摸信號有大小的不同。嚴重的情況，這種不同可以達到50%以上。如何消除或減少這個差異，是多點電容觸摸屏設計的第三個挑戰(zhàn)。雖然選擇方阻更低的ITO涂層是減少這個差異最直接的方法，但通常方阻更低的ITO涂層的厚度會更厚，導致透明度的下降和成本的增加。對很多終端客戶來講是不可接受的。

　　設計挑戰(zhàn)四

　　信噪比(SNR)是多點電容觸摸屏設計中最重要的指標之一。對一個觸摸屏來講，有足夠大的手指信號是遠遠不夠的。事實上，觸摸屏并非置身于象牙塔上，在它的周圍有諸多的噪聲源。比如，緊貼在它下面的LCD就是一個噪聲源，不同的LCD甚至不同的顯示畫面，其噪聲的大小和頻譜都不一樣。尤其是對有些AC Vcomm類型的LCD，它能夠在LCD的表面產(chǎn)生高達15nA/mm2的電流噪聲和1V以上的電壓噪聲。雖然一個ITO的屏蔽層被放在觸摸屏的下面的方案被一些設計者所采用,但屏蔽層的增加，導致觸摸屏厚度的增加和成本的增加，也一定程度影響了可視性。并非所有的終端客戶都可以接受。手機本身的射頻信號和外界的電磁波也會對其產(chǎn)生干擾。當采用觸摸屏的終端采用外部市電供電時，通過來自電網(wǎng)和電源適配器可能產(chǎn)生很大的共模噪聲。還有使人感到棘手的充電器噪聲，觸摸屏及系統(tǒng)本身所產(chǎn)生的噪聲如AD轉換帶來噪聲、開關噪聲以及電源噪聲和ESD測試所使用的8千伏ESD噪聲。在這么一個多噪聲的環(huán)境中，如何使觸摸屏系統(tǒng)對各種噪聲源的噪聲有很好的噪聲免疫力獲得足夠高的信噪比是多點電容觸摸屏設計的第四個挑戰(zhàn)。

　　設計挑戰(zhàn)五

　　手指定位精度是多點電容觸摸屏設計的第五個挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在的終端客戶對手指在觸摸屏上的定位精度要求越來越高，尤其在觸摸屏邊緣上定位精度。我們知道通常使用質心算法來實施手指的定位計算。然而由于電容觸摸屏在邊緣上的感應單元的不完整性和手指在邊緣上先天地缺失半邊的權重信號，在觸摸屏的邊緣仍然使用質心算法將帶來較大的誤差。因此，改進手指定位的算法，不僅適用于觸摸屏的中間區(qū)域，同時適用于觸摸屏的邊緣區(qū)域使手指觸摸的定位更準確是多點電容觸摸屏設計必須面對的挑戰(zhàn)。

　　設計挑戰(zhàn)六

　　多點觸摸手勢識別和跟蹤。多點電容觸摸屏就是為了多點觸摸和手勢識別而設計的。一般使用最多可以識別十個手指的觸摸。最常用的手勢為一或二個手指的手勢。它不僅要能識別單觸點的十四種手勢(上、下、左、右、左上、左下、右上、右下、左旋、右旋、單擊、雙擊、點住和抬起)，而且要能識別雙觸點的二十七種手勢(雙觸點上移、雙觸點下移、雙觸點左移、雙觸點右移、雙觸點左上移、雙觸點左下移、雙觸點右上移、雙觸點右下移、、雙觸點縮小、雙觸點放大、雙觸單擊、一觸一上移、一觸一下移、一觸一左移、一觸一右移、一觸一左上移、一觸一左下移、一觸一右上移、一觸一右下移、一觸一左下左拐、一觸一右下右拐、一觸一右下左拐、一觸一右上右拐、一觸一Z形移、一觸一三角移、一觸一正方移和一觸一畫圓)。此外，在多于兩個手指觸摸時要能實時地跟蹤這些手指的移動，賦予每一個觸摸手指的臨時識別代碼不能搞錯。它對手勢識別算法的設計和芯片的運算速度都是一個實實在在的挑戰(zhàn)。

　　設計挑戰(zhàn)七

　　低功耗。任何使用電池供電的移動設備對其每一個功能單元設計的功耗要求都會非?？量?，尤其是在當下的低碳時代。多點電容觸摸屏作為移動設備中的一個功能單元當然也不會例外。要使多點電容觸摸屏在完全激活的情況下功耗小于35mW、在待機的狀態(tài)下功耗小于100uW并非是一件容易的事。如果一個多點電容觸摸屏的設計不能達到這個要求，將會在激烈的市場競爭中處于非常不利的境地。